Đồ án hóa công Chưng tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền hỗn hợp IzopropylicNước

Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
MỤC LỤC
Phần mở đầu………………………………………………………….trang 4
Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất
I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất ………………………………… 7
II. Sơ đồ dây chuyền sản xuất …………………………………. …… 8
Phần I: Tính toán kỹ thuật thiết bị chính………………………………… 9
I.Tính cân bằng vật liệu……………………………………………… 10
1. Tính cân bằng vật liệu……………………………………
2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp, số đĩa lý thuyết …………
II. Đường kính tháp……………………………………………… 13
1. Lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp……………. 13
2. Vận tốc hơi đi trong tháp…………………………………………16
3. Đường kính tháp…………………………………………………. 19
4. Chọn loại đĩa……………………………………………………… 20
III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp………………………………… 21
1.Hệ số khuếch tán…………………………………………………. 21
2. Hệ số cấp khối…………………………………………………….23
3. Hệ số chuyển khối – Đường cong động học – Số đĩa thực tế 27
4. Chiều cao tháp…………………………………………………… 33
IV. Trở lực của tháp………………………………………………………33
1. Trở lực của đĩa khô……………………………………………… 33
2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt……………………………34
3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh)…………35
4.Trở lực của tháp……………………………………………………36
V. Tính cân bằng nhiệt……………………………………………………38
1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu…………………………………….38
2. Tháp chưng luyện………………………………………………… 40
3. Thiết bị ngưng tụ…………………………………………………….43
4. Thiết bị làm lạnh…………………………………………………….44

GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 1 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
Phần II : Tính toán cơ khí……………………………………………………46
I. Thân tháp…………………………………………………………… 46
II. Nắp và đáy tháp………………………………………………………48
III. Tính đường kính ống dẫn……………………………………………50
1.Ống chảy chuyền ………………………………………………… 50
2. Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp………………………………… 51
3. Ống dẫn hơi đỉnh tháp…………………………………………… 51
4. Ống dẫn hơi đáy tháp………………………………………………52
5. Ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu…………………………………….53
6. Ống dẫn hơi sản phẩm đáy……………………………………….54
IV. Chọn mặt bích……………………………………………………… 54
V. Khối lượng tháp………………………………………………………55
1. Khối lượng thân tháp trụ………………………………………… 55
2. Khối lượng nắp và đáy tháp………………………………………55
3. Khối lượng bích…………………………………………………….56
4. Khối lượng bulong nối bích……………………………………….56
5. Khối lượng đĩa lỗ trong tháp………………………………………56
6. Khối lượng ống chảy chuyền…………………………………… 57
7. Khối lượng chất lỏng điền đầy tháp………………………………57
VI. Tính tai treo , chân đỡ……………………………………………….58
Phần III : Tính toán kỹ thuật thiết bị phụ………………………………….59
I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu……………………………………….59
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình……………………………………… 59
2.Lượng nhiệt trao đổi…………………………………………………60
3.Diện tích trao đồi nhiệt………………………………………………60
II.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy……………………………………….67
1.Hiệu số nhiệt độ trung bình…………………………………………67
2.Lượng nhiệt trao đổi…………………………………………………68

3.Diện tích trao đổi nhiệt………………………………………………68
III.Tính bơm…………………………………………………………… 75
GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 2 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
1.Các trở lực của quá trình………………………………………… 75
2.Chiều cao cần bơm H
0
…………………………………………….82
3.Áp suất toàn phần của bơm – Năng suất bơm…………………83
Kết luận…………………………………………………………………….86
Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 87



PHẦN MỞ ĐẦU
GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 3 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
Trong thực tế các chất không tồn tại ở trạng thái tinh khiết , nó luôn lẫn một
phần tạp chất. Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất
cần thiết nhằm mục đích hoàn thiên, khai thác, chế biến……
Có rất nhiều phương pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có
phương pháp chưng luyện là một trong những phương pháp hay được sử dụng.
Chưng là phương pháp phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay
hơi khác nhau của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc khí ,
thường khi chưng một hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.
Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ thu được hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm
phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa phần lớn là cấu tử khó bay hơi.
Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chưng khác nhau như: chưng bằng hơi
nước trực tiếp , chưng đơn giản , chưng luyện…Chưng luyện là phương pháp chưng
phổ biến nhất dùng để tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan hoàn

toàn hoặc một phần vào nhau.
Đối với hỗn hợp Izopropylic và Nước là hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo
bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương án tối ưu để tách hỗn hợp
trên là chưng cất.
SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG LUYỆN:
Trong công nghệ hóa học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai hay
nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích li,
chưng Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhất
định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tuỳ thuộc vào hỗn hợp ban đầu,
yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế.
Đối với hỗn hợp Izopropylic và Nước là hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất
kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương án tối ưu để tách hỗn hợp trên là
chưng cất.
Chưng là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử
khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa
GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 4 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới
được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên
giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi
và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với
tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan
không bay hơi.
Khi chưng ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các
cấu tử có độ bay hơi nhỏ.

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ và một phần rất ít cấu
tử có độ bay hơi lớn.
Đối với hệ Izopropylic - Nước thì:
• Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Izopropylic.
• Sản phẩm đáy chủ yếu là Nước.
Có nhiều cách để phân loại các phương pháp chưng:
Theo áp suất làm việc:
- Áp suất thấp.
- Áp suất thường.
- Áp suất cao.
Theo nguyên lý làm việc:
- Chưng gián đoạn.
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp.
- Chưng liên tục.
Theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
- Cấp nhiệt trực tiếp.
- Cấp nhiệt gián tiếp.
HỖN HỢP IZOPROPYLIC – NƯỚC:
GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 5 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trường công nghiệp Hà Nội Đồ án Quá trình thiết bị
1. Izopropylic:
- Izopropylic: là chất lỏng linh động không màu và có thể hòa tan vô hạn trong
nước, khối lượng phân tử 60 (kg/kmol. Nhiệt độ sôi của nó là 82.4
0
C, Izopropylic được
ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, đời sống hàng ngày. Izopropylic là sản phẩm của
quá trình lên men hoặc quá trình tổng hợp khác.
2. Nước:
Nước là chất lỏng linh động, khối lượng phân tử 18 (kg/kmol), nhiệt độ sôi
100

0
C, khối lượng riêng 1000(kg/m
3
).
Hai chất lỏng này có độ bay hơi khác nhau. Ở đây Izopropylic bay hơi trước do
nhiệt độ sôi của nó thấp hơn của Nước. Hỗn hợp ăn mòn yếu nên trong quá trình lựa chọn
thiết bị để chưng luyện thì ta nên sử dụng loại thép cácbon thường để tránh lãng phí.
*KẾT LUẬN: Với hỗn hợp Izopropylic – Nước, trong bài này ta sử dụng
phương pháp chưng luyện liên tục ở áp suất thường sử dụng tháp đĩa lỗ có ống chảy
chuyền.
GVHD: Nguyễn Thế Hữu - 6 - SVTH: Hoàng Thị Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
V v thuyt minh dõy chuyn sn xut
I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất :
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 đợc bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức
chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị đợc khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị,
hỗn hợp đầu (đợc điều chỉnh nhờ van và lu lợng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4.
Tại đây, dung dịch đợc gia nhiệt bằng hơi nớc bão hoà đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung
dịch đợc đa vào tháp chng luyện qua đĩa tiếp liệu.
Tháp chng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện,
còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chng.
Nh vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dới lên.
Hơi bốc từ đĩa dới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngng tụ
một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao
tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do
lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi
nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều
cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử
khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở
đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở

đáy tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn.
Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xung bằng dòng hồi lu đợc
ngng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn toàn 6,
dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện trên
cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm
lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp,
sau đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy
tháp, phần chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nớc ngng của các thiết bị
gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11.
Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng
đợc lấy ra liên tục).
II. Sơ đồ dây chuyền :
GVHD: Nguyn Th Hu - 7 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Hơi đốt
N ớc ng ng
1
2
3
4
5
10
6
7
8
9
Hơi đốt
N ớc lạnh
N ớc
N ớc ng ng

11
11
N ớc lạnh
N ớc

Chú thích :
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 2- Bơm
3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
5- Tháp chng luyện 6- Thiết bị ngng tụ hồi lu
7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy
11- Thiết bị tháo nớc ngng


PHN I : TNH TON THIT B CHNH
- Giả thiết :
- Số mol pha hơi đi từ dới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
GVHD: Nguyn Th Hu - 8 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chng và đoạn luyện.
- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
- Chất lỏng ngng tụ trong thiết bị ngng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra
ở đỉnh tháp.
- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
- Yêu cầu thiết bị :
F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 9000 (kg/h).
Thiết bị làm việc ở áp suất thờng.
Tháp loại : Đĩa lỗ có ống chảy chuyền.
- Điều kiện :
F

a
: Nồng độ izopropylic trong hỗn hợp đầu = 28% khối lợng.
P
a
: Nồng độ izopropylic trong sản phẩm đỉnh = 85% khối lợng.
W
a
: Nồng độ izopropylic trong sản phẩm đáy = 0,5% khối lợng.
1
M
: Khối lợng phân tử của Izopropylic = 60 kg/kmol.
2
M
: Khối lợng phân tử của Nc = 18 kg/kmol.
I. Tính cân bằng vật liệu :
1/ Tính cân bằng vật liệu :
Theo phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :
F = P + W
Và phơng trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (Axeton):
WPF
a.Wa.Pa.F
+=
Lợng sản phẩm đnh là :
(kg/h) 99408,2928
005,085,0
)005,028,0( . 9000
)(
=

=


=
WP
WF
aa
aaF
P
GVHD: Nguyn Th Hu - 9 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Lợng sản phẩm ỏy là :
W = F P = 9000 2928,99408 = 6071,00592 (kg/h)
Tính lợng hỗn hợp đầu F, lợng sản phẩm đỉnh P, lợng sản phẩm đáy W theo kmol/h :
)/( 4029000.
18
72,0
60
28,0
.
1
'
21
hkmolF
M
a
M
a
F
FF

=






+=









+=
)/( 90237,6599408,2928.
18
15,0
60
85,0
.
1
'
21
hkmolP
M
a

M
a
P
PP
=






+=









+=
)/( 09763,33690237,65402''' hkmolPFW ===
2/ Tính chỉ số hồi lu thích hợp, số đĩa lý thuyết :
Đổi nồng độ từ phần khối lợng sang phần mol :
10448,0
18/72,060/28,0
60/28,0
/)1(/
/

21
1
=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
FF
F
F

62963,0
18/15,060/85,0
60/85,0
/)1(/
/
21
1
=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
PP

P
P

00151,0
18/995.060/005,0
60/005,0
/)1(/
/
21
1
=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
WW
W
W

Bng cõn bng lng hi i vi cu t Izopropylic v Nc:
x 0 5 10 20 3
0
40 50 60 70 8
0
90 100
y 0 48,
5

53 60 6
4
66,
5
68 68,
4
70 7
7
83 100
t 100 84,
4
82,
5
81,
2
8
1
80,
6
80,
5
80,
4
80,
5
8
1
82,
3
82,4

Dựa vào đờng cân bằng lỏng-hơi (nội suy), ta có :
53367,0
*
=
F
y
{tra bảng cân bằng lỏng_hơi}
a/ Chỉ số hồi lu tối thiểu :
22358,0
10448,053367,0
53367,062963,0
*
*
min
=


=


=
FF
FP
xy
yx
R
GVHD: Nguyn Th Hu - 10 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
b/ Chỉ số hồi lu thích hợp :
Cho R biến thiên (R >R

min
), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng
ứng :
Bng s liu tng hp:

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
R 0,2683 0,31301 0,35773 0,40244 0,44176 0,49188 0,5366
N 6 5 5 5 4 4 4
N(R+1) 7,60978 6,56506 6,78864 7,01222 5,78864 5,96750 6,14637
Hệ số hiệu chỉnh :
min
R
R
=
Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R N(R+1).
Dựa vào đồ thị , ta xác định đợc R
th
= 0,44176
c/ Phơng trình đờng nồng độ làm việc :
- Đờng nồng độ làm việc đoạn chng :
Lợng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh :
09993,6
90238,65
402
'
'
===
P
F
f

Phơng trình :
00151,0.
144176,0
109993,6
144176,0
09993,644176,0
1
1
1 +


+
+
=
+


+
+
= xx
R
f
x
R
fR
y
W
GVHD: Nguyn Th Hu - 11 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
0532,05241,4

=
xy
- Đờng nồng độ làm việc đoạn luyện :
Phơng trình :
144176,0
62963,0
144176,0
09993,6
11
+
+
+
=
+
+
+
=
x
R
x
x
R
R
y
P
43398,030899,0
+=
xy
d/ Số đĩa lý thuyết :
Với R

th
= 0,44176 dựa vào đờng cân bằng và đờng làm việc, ta xác định đợc số đĩa lý
thuyết.
N
LT
= 4
Trong đó : số đĩa đoạn chng : 2
số đĩa đoạn luyện : 2
II. Đờng kính của tháp :
1/ Lu lợng trung bình các dòng pha đi trong tháp :
a/ Trong đoạn luyện :
Số liệu :
G
P
: Lợng sản phẩm đỉnh (P) = 65,90237 (kmol/h).
R : Hệ số hồi lu thích hợp = 0,44176
G
R
: Lợng hồi lu = G
P
. R (kmol/h)
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g
đ
:
g
đ
= G
R
+ G
P

= G
P
. (R + 1) = 65,90237 . (0,44176 + 1) = 95,37127 (kmol/h)
Lợng hơi đi vào đoạn luyện g
1
, nồng độ hơi y
1
, lợng lỏng G
1
đối với đĩa thứ nhất của
đoạn luyện, nồng độ lỏng x
1
:
Coi x
1
= x
F
= 0,10448
Phơng trình cân bằng vật liệu :
g
1
= G
1
+ G
P
(1)
Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (axeton) :
g
1
y

1
= G
1
x
1
+ G
P
x
P
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
g
1
r
1
= g
đ
r
đ
(3)
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol)
r
đ
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Gọi :
r
A
: ẩn nhiệt hóa hơi của Izopropylic.

r
B
: ẩn nhiệt hoá hơi của Nc.
GVHD: Nguyn Th Hu - 12 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Từ bảng số liệu x t
o
sôi dd (II-148), nội suy ta có :
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = x
P
= 0,62963): t
P
= 80,42963C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 80,42963C :







=
==
=
==

)(kcal/kmol 26666,10054
)(kcal/kmolM.558,57037 (kcal/kg) 558,57037 r
)(kcal/kmol 3334,9560
)(kcal/kmolM159,33889. (kcal/kg) 159,33889 r
BB
1A
r
đ
= r
A
. y
đ
+ r
B
(1 - y
đ
)
= 9560,3334 . 0,62963 + 10054,26666 .(1- 0,0,62963)
= 9743,27146 (kcal/kmol)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = x
F
= 0,10448): t
F
= 82,44176C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 82,44176C :

=
==
=
==

)(kcal/kmol 04832,10018
)(kcal/kmolM556,55824. (kcal/kg) 556,55824 r
)(kcal/kmol 004,9515
)(kcal/kmolM158,58434. (kcal/kg) 158,58434 r
2B
1A
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 10018,04832 502,98792.y
l
Thay r

l
vào (3) và giải hệ 3 phơng trình trên (ẩn y
l
, g
l
, G
l
), ta đợc :





=
=
=

46881,0
(kmol/h) 99136,94
(kmol/h) 08899,29
1
1
1
y
g
G
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
(kmol/h) 95,18132
2
99136,9437127,95

2
1
=
+
=
+
=
gg
g
d
tbL
Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :
(kmol/h) 27945,29
2
08899,2944176,0 . 5,902376
2
1
=
+
=
+
=
GG
G
R
tbL
b/ Trong đoạn chng :
Số liệu :
G
W

: Lợng sản phẩm đáy (W) = 336,09763 (kmol/h)
GVHD: Nguyn Th Hu - 13 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Lợng hơi đi vào đoạn chng
,
1
g
, nồng độ hơi
,
1
y
, lợng lỏng
'
1
G
đối với đĩa thứ nhất
của đoạn chng, nồng độ lỏng
,
1
x
, lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi vào
đoạn luyện g
1
:
Ta có
*
W
,
1
yy

=
là nồng độ cân bằng ứng với x
W
, nội suy theo bảng số liệu đờng cân
bằng (II-148) :

12651,0
*,
1
==
W
yy

Phơng trình cân bằng vật liệu :
W
'
1
'
1
GgG
+=
(1)
Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (axeton) :
WW
'
1
'
1
'
1

'
1
xGygxG
+=
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
11
'
1
'
1
rgrg
=
(3)
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng.
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
)
= 9515,0604 . 0,46881 + 1004832 . (1 0,46881)
= 9782,24255 (kcal/kmol)

r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất.
Từ bảng số liệu x t
o
sôi dd (II-148), nội suy ta có:
Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = x
W
= 0,00151): t
W
= 99,99529C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-254) với t
o
= 99,99529C :







=
==
=
==

)(kcal/kmol 08478,9702
)(kcal/kmolM539,00471. (kcal/kg) 539,00471 r

)(kcal/kmol 1062,9120
)(kcal/kmolM152,00177. (kcal/kg) 152,00177 r
2B
1A
ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất :
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
)
= 9120,1062 . 0,12651 + 9702,08478 . (1 0,12651)
= 9628,45867 (kcal/kmol)
(kmol/h) 50854,96
45867,9628
24255,9782
.99136,94)'3(
'
1
1
1
'
1
===
r

r
gg
GVHD: Nguyn Th Hu - 14 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
(kmol/h) 6062,43209763,33650854,96)'1(
'
1
'
1
=+=+=
W
GgG
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng :
(kmol/h) 74838,95
2
50854,9699136,94
2
'
11
=
+
=
+
=
gg
g
tbC
Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn chng :
(kmol/h) 8476,431
2

6062,432)40208899,29(
2
)(
'
11
=
++
=
++
=
GGG
G
F
tbC
2/ Vận tốc hơi đi trong tháp :
Vận tốc giới hạn trên với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-186) :
y
x
gh
. 05,0w


=
(m/s)
x

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m
3
)
y

: Khối lợng riêng trung bình pha hơi (kg/ m
3
)
a/ Khối lợng riêng trung bình pha lỏng :
Theo II-183 :
2xtb
1tb
1xtb
1tb
xtb
a1a1


+

=

Trong đó :
xtb

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m
3
)
1xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m
3
)
2xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m
3
)
1tb
a
: Nồng độ khối lợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg)
- Đoạn luyện :
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện :

36706,0
2
62963,010448,0
2
=
+
=
+
=
PF
tbL
xx
x
Nội suy với x
tbL
theo bảng số liệu nồng độ t
o
sôi dung dịch (II-148) :
Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : t
tbL

= 80,73176C
Khối lợng riêng của Izopropylic và Nc (I-9) theo t = t
tbL
:
GVHD: Nguyn Th Hu - 15 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b

xL1
= 734,378 (kg/m
3
)
xL2
= 971,48777 (kg/m
3
)
Nồng độ khối lợng trung bình của Izopropylic đoạn luyện :
565,0
2
85,028,0
2
=
+
=
+
=
PF
tbL
aa
a

60803,821
48777,971
565,01
378,734
565,0
1
1
1
21
=







+=









+=

xL
tbL
xL
tbL
xL
aa


(kg/m
3
)
- Đoạn chng :
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chng :

053,0
2
10448,000151,0
2
=
+
=
+
=
FW
tbC
xx
x
Nội suy với x
tbC
theo bảng số liệu nồng độ t

o
sôi dung dịch (II-148) :
Nhiệt độ trung bình đoạn chng : t
tbC
= 84,286C
Khối lợng riêng của Izopropylic và Nc (I-9) theo t = t
tbC
:
3569,731
1
=
xC

(kg/m
3
)
9998,968
2
=
xC

(kg/m
3
)
Nồng độ khối lợng trung bình của Izopropylic đoạn luyện :
1425,0
2
28,0005,0
2
=

+
=
+
=
FW
tbC
aa
a


11765,926
9998,968
1425,01
3569,731
1425,0
1
1
1
21
=







+=

+=


xC
tbC
xC
tbC
xC
aa


(kg/m
3
)
b/ Khối lợng riêng trung bình pha hơi :
- Đoạn luyện :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : y
đL
= y
1
= 0,46881
Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : y
cL

= y
P
= x
P
= 0,62963
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
54922,0
2
62963,046881,0
2
=
+
=
+
=
cLdL
tbL
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn luyện :
yL
M
= y
tbL
.M
1
+(1- y
tbL
).M

2
= 54922 . 60+(1- 0,54922).18
= 41,06724 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện :
GVHD: Nguyn Th Hu - 16 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b

41493,1
)73176,80273.(4,22
273 . 1,067244
).(4,22
.
=
+
=
+
=
tbLO
O
yL
yL
tT
TM

(kg/m
3
)
- Đoạn chng :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn chng là :
12651,0

'
1
==
yy
dC
Nồng độ pha hơi cuối đoạn chng là : y
cC
= y
1
= 0,46881
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
29766,0
2
46881,012651,0
2
=
+
=
+
=
cCdC
tbC
yy
y
Khối lợng mol trung bình hơi đoạn chng :
yC
M
= y
tbC
.M

1
+(1-y
tbC
).M
2
= 0,29766.60+(1 0,29766).18
=30,50172 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn chng :
04045,1
)286,84273.(4,22
273 . 0,501723
).(4,22
.
=
+
=
+
=
tbCO
O
yC
yC
tT
TM

(kg/m
3
)
Vận tốc giới hạn trên của hơi đoạn luyện :
20486,1

41493,1
60803,821
05,005,0
===
yL
xL
ghL
w


(m/s)
Vận tốc giới hạn trên của hơi đoạn chng :
49174,1
04045,1
11765,926
05,005,0 ===
yC
xC
ghC
w


(m/s)
Chọn vận tốc làm việc bằng 82% vận tốc giới hạn trên để thiết bị làm việc ổn định.
Vận tốc hơi đoạn luyện : w
L
= 0,82.w
ghL
= 0,82 . 1,20486 = 0,99195 (m/s)
Vận tốc hơi đoạn chng : w

C
= 0,82.w
ghC
= 0,85 . 1,4917 = 1,22323(m/s)
3/ Đờng kính tháp :
Theo II-181 :
yy
tb
w
g
0188,0D

=
(m)
GVHD: Nguyn Th Hu - 17 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Trong đó :
g
tb
: Lợng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
- Đoạn luyện :
Khối lợng mol trung bình pha hơi :
(kg/kmol) 06724,41
=
yL
M
Lu lợng hơi trung bình : g
tbL
= 95,18132 (kmol/h)
06724,41 . 18132,95 .

==
yL
tbLtb
Mgg

(kg/h) 83411,3908
=
- Đoạn chng :
Khối lợng mol trung bình pha hơi :
(kg/kmol) 50172,30
=
yC
M
Lu lợng hơi trung bình : g
tbC
= 95,74838 (kmol/h)
50172,30. 74838,95 .
==
yC
tbCtb
Mgg
(kg/h) 49028,2920
=
y
w
: Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
y

: Khối lợng riêng trung bình của hơi đi trong tháp (kg/m
3

)
Đờng kính đoạn luyện :
(m) 99258,0
0,99105 . 1,41493
83411,3908
0188,00188,0
===
LyL
tb
L
w
g
D

Đờng kính đoạn chng :
(m) 0,90058
1,22323 . 1,04045
49028,2920
0188,00188,0
===
CyC
tb
C
w
g
D

Vì đờng kính hai đoạn chng và luyện sai khác nhau không đáng kể, chuẩn hóa ta chọn
đờng kính cho cả tháp : D = 1 (m)
Vận tốc thực tế của hơi trong tháp :

- Đoạn luyện :
(m/s) 9764,0
1
0188,0
41493,1
83411,39080188,0
22
=






=






=
D
g
w
yL
tb
L

w

L
(80 ữ 90%)w
ghL
Chấp nhận đợc.
- Đoạn chng :
GVHD: Nguyn Th Hu - 18 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
(m/s) 99209,0
1
0188,0
04045,1
49028,29200188,0
22
=






=






=
D
g

w
yC
tb
C

w
C
(80 ữ 90%)w
ghC
Chấp nhận đợc.
4/ Chọn loại đĩa :
Ta chọn loại đĩa với các thông số nh sau :
- Đờng kính : D = 1 m
- Diện tích đĩa : F = . D
2
/4 = 0,7854 m
2
- Diện tích tự do tơng đối : = 8%
- Chiều dài gờ chảy tràn : L
C
= 0,48 m
- Chiều rộng phần chảy tràn : l
C
= 0,08 m
- Chiều cao gờ chảy tràn : h
C
= 30 mm
- Chiều dầy đĩa : = 2 mm
- Khoảng cách giữa các đĩa : H
đ

= 0,3 m (Theo II-169)
- Đờng kính lỗ : d = 3 mm
- Bớc lỗ : t = 7 mm
Hình vẽ :
GVHD: Nguyn Th Hu - 19 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
I I
Hđ
hc
D
Lc
t
d
dc
III. Số đĩa thực tế và chiều cao tháp :
1/ Hệ số khuếch tán :
a/ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20
o
C, theo công thức II-133:
23/13/1
6-
20
).(
11
. .101
BAB
BA
x
vvAB

MM
D
+
+
=
à
(m
2
/s)
Trong đó :
A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A = 1,16 ; B = 4,7
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Izopropylicvà Nc (kg/kmol)
M
A
= 60 (kg/kmol) M
B
= 18 (kg/kmol)
à
B
: Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) : à
Benzen,20C
= 1 (cP)
v
A

, v
B
: Thể tích mol của Izopropylicvà Nc (cm
3
/mol)
GVHD: Nguyn Th Hu - 20 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
v
A
= 81,4 (cm
3
/mol) v
B
= 14,8 (cm
3
/mol)
9
23/13/1
6-
20
10.06945,1
)8,144,81.( 1.7,4.16,1
18
1
60
1
. .101

=
+

+
=
x
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:
Theo II-134 :
[ ]
)20t(b1DD
20
x
t
x
+=
Hệ số nhiệt độ (II-135) :
3
2,0
b

à
=
à : Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) : à
Nc
,20C
= 1 (cP)
: Khối lợng riêng của dung môi ở 20

o
C (kg/m
3
)

nc
,20C
= 998 (kg/m
3
)
3
3
10.01335,20
998
12,0

== b
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chng : t = t
tbC
= 84,286C

[ ]
939
10.448817,2)20286,84(10.06332,20110.06945,1

=+=
xC
D

(m

2
/s)
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = t
tbL
= 80,73176 C

[ ]
939
10.37255,2)2073176,80(10.06332,20110.06945,1

=+=
xL
D

(m
2
/s)
b/ Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
Hệ số khuếch tán của khí trong khí, theo công thức II-127 :
BA
23/1
B
3/1
A
5,14
y
M
1
M
1

)vv.( p
T .10.0043,0
D +
+
=

(m
2
/s)
Trong đó :
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Izopropylic và Nc (kg/kmol)
M
A
= 60 (kg/kmol) M
B
= 18 (kg/kmol)
v
A
, v
B
: Thể tích mol của Izopropylic và Nc (cm
3
/mol)
v
A
= 81,4 (cm

3
/mol) v
B
= 14,8 (cm
3
/mol)
P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P
0
= 1 (atm)
T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (
o
K)
GVHD: Nguyn Th Hu - 21 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện : t = t
tbL
= 80,73176C
4
23/13/1
5,14
10.1668,0
18
1
60
1
)8,144,81.(1
)73176,80273.(10.0043,0


=+

+
+
=
yL
D
(m
2
/s)
2/ Hệ số cấp khối :
a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi :
Theo I-94 :
1
2
2
1
1
hhhh
M).y1(M.y
.M









à

+
à
=à
Trong đó :
y : Nồng độ Izopropylic trong pha hơi :
- Đoạn chng : y = y
tbC
= 0,29766
- Đoạn luyện : y = y
tbL
= 0,54922
M
hh
: Trọng lợng phân tử của hỗn hợp khí :
- Đoạn chng :
50172,30==
yC
hh
MM
(kg/kmol)
- Đoạn luyện :
06724,41
==
yL
hh
MM
(kg/kmol)
M
1
, M

2
: Trọng lợng phân tử của Izopropylic và Nc :
M
1
= 60 (kg/kmol) M
2
= 18 (kg/kmol)
à
1
, à
2
: Độ nhớt của Izopropylic và Nc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 84,286C theo bảng (I-116):
à
1
= 93,17865.10
-7
(Ns/m
2
) à
2
= 3383,56.10
-7
(Ns/m
2
)
- Đoạn luyện : t = t
tbL

= 80,73176C theo bảng (I-116):
à
1
= 92,20123.10
-7
(Ns/m
2
) à
2
= 3532,80256.10
-7
(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chng là :
7
1
77
10.04,123
10.56,3383
18.70234,0
10.17865,93
60.29766,0
.50172,30



=

+=
hh
à
(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là :

7
1
77
10.17018,114
10.80256,3532
18.45078,0
10.20123,92
60.54922,0
.06724,41



=

+=
hh
à
(Ns/m
2
)
GVHD: Nguyn Th Hu - 22 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
b/ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng :
Theo I-84 :
21hh
lg).x1(lg.xlg
à+à=à
Trong đó :
x : Nồng độ phần mol của Izopropylic trong hỗn hợp :
- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,053
- Đoạn luyện : x = x
tbL
= 0,36706
à
1
, à
2
: Độ nhớt động lực của Izopropylic và Nc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 84,286C theo bảng và toán đồ (I-91):

à
1
= 0,49857 (cP) à
2
= 0,34136 (cP)
- Đoạn luyện : t = t
tbL
= 80,73176C theo bảng và toán đồ (I-91):
à
1
= 0,51634 (cP) à
2
= 0,35433 (cP)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chng :
lg(à
hh
) = 0,053 . lg(0,49857) + 0,947 . lg(0,34136) = - 0,45807
à
hh
= 0,34828 (cP) = 0,34828. 10
-3
(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện :
lg(à
hh
) = 0,36706 . lg(0,51634) + 0,63294 . lg(0,35433) = - 0,39057
à
hh

= 0,40685 (cP) = 0,40685. 10
-3
(Ns/m
2
)
c/ Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi :
Theo II-164 :
y
yy
y
. h .w
Re
à

=
Trong đó :
y
w
: Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)
- Đoạn chng :
(m/s) 0,99209 w
C
==
y
w
- Đoạn luyện :
(m/s) 0,9764 w
L
==
y

w
h : Kích thớc dài, chấp nhận bằng 1m
y

: Khối lợng riêng trung bình của hơi (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
)/( 1,04045
3
mkg
yCy
==

- Đoạn luyện :
)/( 41493,1
3
mkg
yLy
==

GVHD: Nguyn Th Hu - 23 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
y
à
: Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m
2
)
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chng là :
4

7
10.61282,6
10.0937,156
04045,1 . 1 . 99209,0
Re
==

y
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là :
4
7
10.10069,12
10.17018,114
41493,1 . 1 . 9764,0
Re
==

y
d/ Chuẩn số Prand đối với pha lỏng :
Theo II-165 :
xx
x
x
D.
Pr

à
=
Trong đó :
x

: Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
x
=
xC
= 926,11765 (kg/m
3
)
- Đoạn luyện :
x
=
xL
= 821,60803 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)
x
à
: Độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m
2
).
Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn chng là :
95256,153

10.2,44273 . 926,11765
10.34828,0
Pr
9
3
==


x
Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn luyện là :
23561,209
10.2,36665 . 821,60803
10.40685,0
Pr
9
3
==


x
e/ Hệ số cấp khối trong pha hơi :
Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-164) :
)11000Re . 79,0(
4,22
+=
y
y
y
D

kmol
kmol
.s.m
kmol
2

Trong đó :
GVHD: Nguyn Th Hu - 24 - SVTH: Hong Th Toan
Trng cụng nghip H Ni ỏn Quỏ trỡnh thit b
y
D
: Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m
2
/s)
y
Re
: Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi.
Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chng là :

0478,0)110006,61282.10 . 79,0(
4,22
10.16932,0
4
4
=+=

yC

kmol
kmol

sm
kmol
2
Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là :

07938,0)11000012,10069.1 . 79,0(
4,22
10.1668,0
4
4
=+=

yL

kmol
kmol
.s.m
kmol
2
f/ Hệ số cấp khối trong pha lỏng :
Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (II-165) :
62,0
x
x
xx
x
Pr.
h .M
D . . 38000

=
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
Trong đó :
x

: Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
x
=
xC
= 926,11765 (kg/m
3
)
- Đoạn luyện :
x
=
xL
= 821,60803 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2

/s)
x
M
: Khối lợng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
M
x
= x.M
A
+ (1-x).M
B
- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,053
M
xC
= 0,053.60 + (1- 0,053).18 = 20,226 (kg/kmol)
- Đoạn luyện : x = x
tbL
= 0,36706
M
xL
= 0,36706.60 + (1- 0,36706).18 = 33,41652 (kg/kmol)
h : Kích thớc dài, chấp nhận bằng 1m.
x
Pr
: Chuẩn số Prand đối với pha lỏng.
Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn chng là :
GVHD: Nguyn Th Hu - 25 - SVTH: Hong Th Toan